自蔓延高温合成法规模制备石墨烯及其在高能量密度超级电容器中的应用

AM-mayanwei超级电容器具有高功率密度和长循环寿命等特点,已应用于电动汽车等高功率输出设备,被普遍认为是一种重要的新型储能器件。但是目前商业化活性炭基超级电容器的能量密度较低,严重制约了其在储能领域中的潜力。因此,超级电容器未来的研究重点在于保持其功率密度和循环寿命的同时,大幅提升能量密度。石墨烯是近年来备受各国重视的新型材料,具备高比表面积、高导电率和稳定化学结构等优势,有望在下一代高性能超级电容器中获得广泛应用。

最近,中国科学院电工研究所马衍伟研究团队提出以二氧化碳为碳源,金属镁粉为还原剂,纳米氧化镁为模板剂,采用自蔓延高温合成技术,成功实现了兼具高导电性和高比表面积石墨烯粉体的快速、绿色和低成本制备。通过调控模板剂的量可以实现对石墨烯层数的控制,并揭示了自蔓延高温合成过程中石墨烯微观形貌的演化机制。所得石墨烯电导率高达13000 S m-1,比表面积达到709 m2 g-1,具有丰富的介孔结构,不仅促进了电子在电极/电解液界面的高效转移,也提升了离子在电极体相内的扩散性能。因此,在离子液体中基于电极材料的比电容最高可达244 F g-1;电流密度增大至500 A g-1时,容量仍维持113 F g-1。得益于优异的容量和突出的倍率性能,石墨烯电极表现出良好的大功率储能特性。功率密度为10 kW kg-1时,电极材料的能量密度高达136 Wh kg-1,在高达1000 kW kg-1的功率密度下,能量密度仍达60 Wh kg-1。此外,由于该石墨烯中氧元素含量仅为0.7 at.%,电极材料表现出异常优异的电化学稳定性,循环100万周后,容量保持率仍大于90 %。该研究与中科院理化技术研究所李江涛研究团队、中科院物理研究所李建奇研究团队合作完成。

上述石墨烯制备方法反应过程耗时短、环境友好、成本低,对工业化制备石墨烯的推广意义重大,并有望推动石墨烯在高性能超级电容器等储能领域中的实际应用。相关研究成果已发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201604690)。